Biologische Funktionen von Osmium sind weder im menschlichen noch in anderen Organismen bekannt. Technisch wird Osmium wegen seines hohen Preises nur verwendet, wenn Haltbarkeit und Härte ausschlaggebend sind.
Geschichte
Im Jahr 1800 kauften William Hyde Wollaston und Smithson Tennant 5959Feinunzen (etwa 185Kilogramm) Platinerz aus Kolumbien und untersuchten es, indem sie das Erz in Königswasser lösten. Dabei löste sich ein Großteil des Erzes, es blieb aber auch ein unlöslicher Rückstand. Daraufhin teilten die beiden Chemiker die weitere Untersuchung. Wollaston untersuchte die löslichen Bestandteile und entdeckte darin 1803 die Elemente Rhodium und Palladium.
Tennant kümmerte sich dagegen um den in Königswasser unlöslichen Rückstand. Er erhitzte das schwarze Pulver mit Natriumhydroxid und löste die erhaltene Masse in Wasser. Der Chemiker erhielt eine gelbe Lösung. Beim Ansäuern bildete sich ein weißes, leicht flüchtiges Oxid mit einem stechenden Geruch, bei dem es sich um Osmium(VIII)-oxid handelte. Als Tennant Kupfer, Zinn, Zink oder Phosphor zu einer Osmium(VIII)-oxid-Lösung gab, bildete sich metallisches Osmium. Auf Grund seines Geruches nannte er das neue Element Osmium, altgriechischὀσμήosmē „Geruch, Gestank“. Bei seinen Experimenten entdeckte Tennant in dem Rückstand, der nach dem Erhitzen mit Natriumhydroxid blieb, noch ein weiteres Element, das Iridium. Seine Entdeckungen stellte er 1804 vor.
Gleichzeitig mit Tennant führten auch die französischen Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin und Antoine-François de Fourcroy ähnliche Experimente mit Platinerz durch und entdeckten darin ein neues Element, das sie ptène nannten. Dabei handelte es sich wahrscheinlich um eine Iridium-Osmium-Mischung. Dieser Name setzte sich jedoch nicht durch, Tennant gilt als Entdecker der beiden Elemente und seine Namen wurden beibehalten.
Die erste wichtige Anwendung des Metalls war am Anfang des 20. Jahrhunderts seine Verwendung als Material für Glühfäden in Glühlampen durch Carl Auer von Welsbach. Für die Herstellung mischte er feines Osmyltetraamminchlorid-Pulver mit karamellisiertemZucker zu einer Paste und erhitzte sie, um den Kohlenstoff zu entfernen. Das 1898 patentierte Ergebnis war ein Glühfaden, der 1,5Watt benötigte und 5000 bis 6000 Betriebsstunden hielt, allerdings sehr fragil und teuer war. Die neue Glühlampe wurde 1900 auf der Weltausstellung in Paris vorgestellt. Ab 1906 wurde Osmium durch das besser geeignete Wolfram ersetzt. Welsbach bildete aus den Namen von Osmium und Wolfram den Markennamen Osram für die von ihm erfundene Glühlampe.
1908 entwickelte Fritz Haber mit einem Osmium-Katalysator ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus den Elementen, heute als Haber-Bosch-Verfahren bekannt. Da das teure und nur in geringen Mengen verfügbare Osmium für eine großtechnische Umsetzung nicht geeignet war, suchte Alwin Mittasch einen geeigneten Ersatz und fand die seitdem genutzten Eisen-Katalysatoren.
Bei den Osmiumvorkommen wird zwischen primären und sekundären Lagerstätten unterschieden. Primäre Lagerstätten sind Kupfer-, Nickel-, Chrom- oder Eisenerze, in denen geringe Mengen an Platinmetallen in gebundener Form enthalten sind. Es gibt keine eigenständigen Osmiumerze.
Neben diesen Erzen existieren sekundäre Lagerstätten oder Seifenlagerstätten, in denen Osmium und die anderen Platinmetalle gediegen vorkommen. Dabei wurden die Metalle nach Verwitterung vom Wasser ausgewaschen und haben sich – bedingt durch ihre hohe Dichte – an geeigneten Stellen angereichert (vgl. Gold). Osmium kommt dabei vor allem in den natürlichen Legierungen Osmiridium und Iridosmin vor, die Osmium und Iridium in variablen Anteilen enthalten und nach ihrem überwiegenden Bestandteil entweder Osmium oder Iridium als Varietät zugerechnet werden.
Osmium war schon lange vor der 1958 gegründeten International Mineralogical Association (IMA) bekannt und als eigenständige Mineralart anerkannt. Damit hätte Osmium theoretisch den Status eines grandfathered Mineral. 1991 erfolgte jedoch eine Neudefinition der Platingruppen-Elementminerale und -legierungen durch Donald C. Harris und Louis J. Cabri. Seitdem werden innerhalb des ternären Systems Os-Ir-Ru alle hexagonalen Legierungen mit Os als Hauptelement als Osmium angesprochen. Die früher parallel verwendeten Mischkristall-Mineralnamen Iridosmin, Osmiridium und Rutheniridosmium sind entsprechend diskreditiert und gelten nun als Varietäten von Osmium.
Osmium ist seit dieser Neudefinition auch offiziell von der IMA als eigenständige Mineralart anerkannt und wird in der „Liste der Minerale und Mineralnamen“ der IMA unter der Summenanerkennung „1991 s.p.“ (special procedure) geführt.
In der zuletzt 2018 überarbeiteten Lapis-Systematik nach Stefan Weiß, die formal auf der alten Systematik von Karl Hugo Strunz in der 8. Auflage basiert, erhielt das Mineral die System- und Mineralnummer I/A.13-020. Dies entspricht ebenfalls der Abteilung „Metalle und intermetallische Verbindungen“, wo Osmium zusammen mit Garutiit, Hexaferrum, Hexamolybdän, Rhenium, Rutheniridosmin und Ruthenium eine unbenannte Gruppe mit der Systemnummer I/A.13 bildet.
Auch die von der IMA zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet Osmium in die Abteilung „Metalle und intermetallische Verbindungen“ ein. Diese ist weiter unterteilt nach den in der Verbindung vorherrschenden Metallen, die entsprechend ihrer verwandten Eigenschaften in Metallfamilien eingeteilt wurden. Das Mineral ist hier entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Platin-Gruppen-Elemente (PGE)“ zu finden, wo es zusammen mit Garutiit, Hexaferrum, Rutheniridosmin und Ruthenium die „Rutheniumgruppe“ mit der Systemnummer 1.AF.05 bildet.
In der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichen und zuletzt 1997 veröffentlichten Systematik der Minerale nach Dana hat Osmium die System- und Mineralnummer 01.02.02.01. Dies entspricht ebenfalls der Klasse der „Elemente“ und dort der Abteilung „Elemente und Legierungen“, wo das Mineral zusammen mit Ruthenium, Rutheniridosmin und dem inzwischen diskreditierten Rhenium in der „Osmiumgruppe“ mit der Systemnummer 01.02.02 zu finden ist.
Osmiumfunde
Für gediegen Osmium sind weltweit bisher mehr als 300 Vorkommen dokumentiert (Stand 2026).
Die Fundstätten liegen überwiegend in Australien, China, Frankreich, Japan, Kanada, Russland und den Vereinigten Staaten.
In Deutschland kennt man Osmiumfunde bisher nur aus Breisach am Rhein sowie an unbenannten Seifen am Ober- und Hochrhein in Baden-Württemberg, aus einer Donauseife bei Straubing in Niederbayern und aus der Holcim-Kiesgrube bei Rheinzabern in Rheinland-Pfalz. Der bisher einzige bekannte Fundort in Österreich ist eine unbenannte Chromitgrube am Mitterberg bei Sankt Stefan ob Leoben in der Steiermark.
Zwei miteinander verschmolzene Osmiumkristalle aus einem Flussbett auf Hokkaidō
Großer, scharfkantiger Osmiumkristall vom Fluss Neiwa im Ural, Russland
Die Herstellung von Osmium ist aufwendig und erfolgt im Zuge der Gewinnung anderer Edelmetalle wie Gold oder Platin. Die dazu verwendeten Verfahren nutzen die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Edelmetalle und ihrer Verbindungen, wobei nach und nach die Elemente voneinander getrennt werden.
Als Ausgangsmaterial dienen edelmetallhaltige Erze oder Anodenschlamm aus der Nickel- oder Goldgewinnung. Das Erz wird zunächst in Königswasser gelöst. Dabei gehen Gold, Palladium und Platin in Lösung, die anderen Platinmetalle und Silber bleiben zurück. Das Silber reagiert zunächst zu unlöslichem Silberchlorid, das mit Bleicarbonat und Salpetersäure (Bildung von Silbernitrat) entfernt werden kann. Durch Schmelzen mit Natriumhydrogensulfat und anschließendem Auslaugen kann Rhodium als Rhodium(III)-sulfat gelöst und abgetrennt werden. Danach wird der verbleibende Rückstand mit Natriumperoxid geschmolzen, wodurch Osmium und Ruthenium gelöst werden und das unlösliche Iridium zurückbleibt. Wenn diese Lösung mit Chlor behandelt wird, entstehen die flüchtigen Stoffe Rutheniumtetroxid und Osmiumtetroxid. Bei Zugabe von alkoholischer Natronlauge löst sich nur Osmiumtetroxid und kann auf diese Weise vom Ruthenium abgetrennt werden. Das Osmium wird mit Ammoniumchlorid als Komplex ausgefällt und schließlich mit Wasserstoff zu metallischem Osmium reduziert:
Osmium wird nur in sehr geringen Mengen gewonnen, die Produktionsmenge liegt weltweit bei ca. 100 kg pro Jahr.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
Kristallstruktur von Os, a=273,5pm, c=431,9pm Osmium als Schmelzperle
Osmium ist vor Iridium das Element mit der höchsten Dichte. Kristallographische Berechnungen ergeben für Osmium 22,59g/cm3 und für Iridium 22,56g/cm3 im natürlichen Isotopenverhältnis.
Osmium gehört zu den Edelmetallen und ist damit reaktionsträge. Es reagiert direkt nur mit den NichtmetallenFluor, Chlor und Sauerstoff. Eine Reaktion von Sauerstoff und kompaktem Osmium findet erst bei Rotglut statt. Je nach Reaktionsbedingungen entsteht Osmiumtetroxid (weniger hohe Temperaturen, hoher Sauerstoffdruck) oder Osmiumtrioxid (nur in der Gasphase stabil). Feinverteiltes Osmium bildet schon bei Raumtemperatur in Spuren hochgiftiges Osmiumtetroxid.
Von Osmium sind insgesamt 34 Isotope und 6 Kernisomere bekannt, davon kommen die sieben Isotope mit den Massen 184, 186, 187, 188, 189, 190 und 192 natürlich vor. 192Os ist mit einem Anteil von 40,78% des natürlichen Osmiums das häufigste Isotop, 184Os mit 0,02% das seltenste. Als einziges der natürlichen Isotope ist 186Os radioaktiv, jedoch mit über 2 Billiarden Jahren Halbwertszeit nur schwach. Neben diesen gibt es noch weitere 27 kurzlebige Isotope von 162Os bis 196Os, die wie die kurzlebigen Kernisomere nur künstlich herstellbar sind.
Die zwei Isotope 187Os und 189Os können für kernspintomographische Untersuchungen verwendet werden. Von den künstlichen Nukliden werden 185Os (Halbwertszeit 96,6Tage) und 191Os (15Tage) als Tracer verwendet. Das Verhältnis von 187Os zu 188Os kann in Rhenium-Osmium-Chronometern zur Altersbestimmung in Eisenmeteoriten benutzt werden, da 187Re langsam zu 187Os zerfällt (Halbwertszeit: 4,12 · 1010Jahre).
Je 1Feinunze Sammlerbarren aus Eisen, Osmium und Aluminium, hergestellt aus verpresstem und gesintertem Pulver.
Für das Element gibt es wegen seiner Seltenheit, komplizierten Gewinnung und des damit einhergehenden hohen Preises von ca. 400US$ pro Unze (Osmium powder, Stand 2018) verhältnismäßig wenige technische Anwendungen. Aufgrund der hohen Giftigkeit der Oxide wird Osmium selten in reinem Zustand verwendet. In abrasiven und verschleißenden Anwendungen wie in Spitzen von Füllfederhaltern, phonographischen Abtastnadeln, Wellen und Zapfen im Instrumentenbau sowie elektrischen Kontakten kommen harte osmiumhaltige Legierungen der Platinmetalle zum Einsatz. Eine Legierung aus 90% Platin und 10% Osmium wird zu medizinischen Implantaten und künstlichen Herzklappen verarbeitet sowie in Herzschrittmachern verwendet. Manchmal wird Osmium als Katalysator für Hydrierungen benutzt. Osmium wurde auch in Legierung mit Wolfram in den Glühfäden der Osram-Glühlampen verwendet.
Nachweis
Mögliche Nachweise von Osmium können über das Osmiumtetroxid erfolgen. Ein einfacher, aber wegen der Giftigkeit nicht empfehlenswerter Nachweis wäre über den charakteristischen Geruch des Osmiumtetroxids. Es sind aber auch chemische Nachweise möglich. Dabei wird eine osmiumhaltige Probe auf Filterpapier mit Benzidin- oder Kaliumhexacyanoferratlösung zusammengebracht. Mit Benzidin verfärbt sich das Papier bei Anwesenheit von Osmiumtetroxid violett, mit Kaliumhexacyanoferrat hellgrün.
Metallisches, kompaktes Osmium ist luftbeständig und harmlos. Das Pulver ist gefährlicher, denn neben seiner Einstufung als „Entzündlich“, „Ätzend“ und „Reizend“ bildet es bereits bei Raumtemperatur das hochgiftige Osmium(VIII)-oxid. Stäube davon können eine Lungenreizung mit Hyperämie bis zum Lungenödem hervorrufen sowie zu Haut- oder Augenschäden führen. Schon bei Hautkontakt besteht eine Lebensgefahr.
Metallisches Osmium ist als fein verteiltes Pulver oder Staub leichtentzündlich, in kompakter Form aber nicht brennbar. Zum Löschen von Osmiumbränden müssen Metallbrandlöscher (Klasse D) oder Löschpulver verwendet werden, keinesfalls darf Wasser verwendet werden, wegen der Explosionsgefahr durch entstehenden Wasserstoff und Sauerstoff.
Verbindungen
Es sind Verbindungen und Komplexe in den Oxidationsstufen von −II bis +VIII bekannt, die stabilste Oxidationsstufe ist +IV. Osmium zählt zusammen mit Ruthenium und Xenon zu den wenigen Elementen, die die Oxidationsstufe +VIII erreichen. Lediglich Iridium weist eine höhere Oxidationsstufe von +IX auf. Osmium bildet mit den meisten Nichtmetallen Verbindungen wie Oxide, Halogenide, Sulfide, Telluride, und Phosphide.
Osmiumtetroxid
Kristalle von Osmiumtetroxid in einer Ampulle
Osmium(VIII)-oxid (OsO4) ist die bekannteste Verbindung des Osmiums und eine der wenigen stabilen Verbindungen, in der Osmium die Oxidationsstufe +VIII besitzt. Die Verbindung bildet sich durch Einwirkung von Oxidationsmitteln wie Salpetersäure auf metallisches Osmium. Es ist ein leichtflüchtiger Feststoff, der sehr stark oxidierend wirkt. Im Unterschied zu vielen anderen Oxidationsmitteln kann die Reaktion unter stereochemischer Kontrolle ablaufen. Aufgrund dieser Eigenschaften hat die Verbindung trotz der hohen Toxizität und des hohen Preises einige Anwendungen wie in der Sharpless-Dihydroxylierung gefunden. Osmiumtetroxid wird häufig nur in katalytischen Mengen eingesetzt.
Mit Sauerstoff bildet Osmium weitere Verbindungen, die Oxide Osmiumtrioxid OsO3 und Osmiumdioxid OsO2. Osmiumtrioxid ist nur in der Gasphase stabil, Osmiumdioxid dagegen ein stabiler, hochschmelzender Feststoff in Rutil-Struktur.
Mit den Halogenen Fluor, Chlor, Brom und Iod sind eine Vielzahl von Verbindungen bekannt. Die möglichen Oxidationsstufen des Osmiums reichen dabei von +VII bei Osmium(VII)-fluorid bis +I bei Osmium(I)-iodid.
Des Weiteren sind Verbindungen mit Arsen und Schwefel bekannt, die auch in der Natur vorkommen und als MineraleErlichmanit (OsS2), Osarsit (OsAsS) und Omeiit (OsAs2) anerkannt sind.
Komplexverbindungen
Neben diesen Verbindungen sind zahlreiche Komplexverbindungen bekannt. Vom Osmiumtetroxid leiten sich die Osmate, anionische Komplexe des Osmiums ab. Auch mit anderen Liganden, wie Ammoniak, Kohlenstoffmonoxid, Cyanid und Stickstoffmonoxid sind viele Komplexe in verschiedenen Oxidationsstufen bekannt. Mit organischen Liganden, wie Cyclopentadien kann der Osmiumkomplex Osmocen, der zu den Metallocenen gehört, gebildet werden. Neben klassischen Komplexen, bei denen jede Metall-Ligand-Bindung eindeutig bestimmt werden kann, existieren auch nicht-klassische Komplexe. Bei diesen liegen Metallcluster aus mehreren Osmiumatomen vor. Ihre konkrete Gestalt kann mit Hilfe der Wade-Regeln bestimmt werden.
Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
↑Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
↑J. W. Arblaster: What is the True Melting Point of Osmium? In: Platinum Metals Review. 49, 4, 2005, S.166–168; (Volltext; PDF; 610kB); doi:10.1595/147106705X70264.
↑W. P. Griffith: Bicentenary of Four Platinum Group Metals Part I: Rhodium and Palladium – Events Surrounding their Discoveries. In: Platinum Metals Review. 47, 4, 2003, S.175–183, doi:10.1595/003214003X474175183.
12W. P. Griffith: Bicentenary of Four Platinum Group Metals Part II. Osmium and Iridium - Events Surrounding Their Discoveries. In: Platinum Metals Review. 48, 4, 2004, S.182–189, doi:10.1595/003214004X484182189.
↑Smithson Tennant: On two metals, found in the black powder remaining after the solution of platina. In: Philosophical Transactions. 94, 1804, S.411–418, doi:10.1098/rstl.1804.0018.
↑Rolf Haubrichs, Pierre-Léonard Zaffalon: Osmium vs. ‘Ptène’: The Naming of the Densest Metal. In: Johnson Matthey Technology Review. Nr. 61, 2017, S.190–196, doi:10.1595/205651317x695631.
↑Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S.86–90.
↑PatentUS971501A:Production of Ammonia.Veröffentlichtam27.September 1910,Erfinder:Fritz Haber, Robert Le Rossignol.
↑Maria Osietzki: Die nationalsozialistische Rezeption Julius Robert Mayers: Alwin Mittasch und das Konzept der Auslösung. In: Mitteilungen der Fachgruppe Geschichte der Chemie. Band 8, 1993, S.61–65 (online bei der GDCh).
↑Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie. Band 1, 9. Auflage. dtv-Verlag, 2000, ISBN 3-423-03217-0.
↑Donald C. Harris, Louis J. Cabri:Nomenclature of platinum-group-element alloys: Review and revision. In: The Canadian Mineralogist. Band29, 1991, S.231–237 (rruff.info[PDF; 757kB; abgerufen am 3.Mai 2024]).
↑Stefan Weiß:Das große Lapis Mineralienverzeichnis. Alle Mineralien von A – Z und ihre Eigenschaften. Stand 03/2018. 7., vollkommen neu bearbeitete und ergänzte Auflage. Weise, München 2018, ISBN 978-3-921656-83-9.
↑Richard V. Gaines, H. Catherine W. Skinner, Eugene E. Foord, Brian Mason, Abraham Rosenzweig:Dana’s New Mineralogy. 8. Auflage. John Wiley & Sons, New York u. a. 1997, ISBN 0-471-19310-0, S.19.
12Fundortliste für Osmium beim Mineralienatlas (deutsch) und bei Mindat (englisch), abgerufen am 3. Mai 2024.
12K. Schubert: Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente. In: Acta Crystallographica. B30, 1974, S.193–204; doi:10.1107/S0567740874002469.
↑J. L. Birck, M. Roy-Barman, C. J. Allegre: The Rhenium Osmium Chronometer: The Iron Meteorites Revisited. In: Meteoritics. 26, 1991, S. 318; (Volltext); Preprint.
↑Rohstoffrisikobewertung – Platingruppenmetalle. In: Deutsche Rohstoffagentur (Hrsg.): DERA Rohstoffinformationen. Nr.26. Berlin 2014, ISBN 978-3-943566-20-8, S.44.
↑N. A. Tananaeff, A. N. Romanjuk: Tüpfelmethode zum Nachweis von Osmium. Analytisches Laboratorium des Kiewer Industrie-Institutes, 1936.
↑Seo JH, Sharma M, Osterberg EC, Jackson BP: Determination of Osmium Concentration and Isotope Composition at Ultra-low Level in Polar Ice and Snow., Anal Chem. 2018 May 1;90(9):5781–5787, PMID 29627976.
↑A. I. G. McLaughlin, R. Milton, Kenneth M. A. Perry:Toxic Manifestations of Osmium Tetroxide. In: British Journal of Industrial Medicine. Band3, Nr.3, Juli 1946, S.183–186, PMID 20991177, PMC1035752(freier Volltext).
↑Datenblatt Osmium bei Merck,abgerufen am 19.Januar 2011.
↑Eric N. Jacobsen, István E. Markó, William S. Mungall, Gottfried K. Schroeder, K. Barry Sharpless: Asymmetric dihydroxylation via ligand-accelerated catalysis. In: Journal of the American Chemical Society. 1988, Band 110, Nummer 6, S.1968–1970 doi:10.1021/ja00214a053.
![{\displaystyle {[\mathrm {OsO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}(\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{3}}){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}]\mathrm {Cl} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}+{}3\,\mathrm {H} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}{}\mathrel {\longrightarrow } {}\mathrm {Os} {}+{}4\,\mathrm {NH} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}{\vphantom {A}}^{+}{}+{}2\,\mathrm {Cl} {\vphantom {A}}^{-}{}+{}2\,\mathrm {OH} {\vphantom {A}}^{-}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/27ed2288d7be33eb205fc3cade20bc56f2b2fece)
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